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薄板 切割 装置 总体方案 结构设计 CAD 图纸

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内容简介：

薄板切割装置总体方案与结构设计一、主要任务与目标：通过对薄板切割机的设计，进一步巩固与深化学生对理论课程及实践性教学环节中所学知识的理解，培养学生综合运用所学基础知识、基本理论和基本技能来分析和解决相关专业问题，以及收集、整理、分析、利用资料的能力，使学生受到工程师工作能力的综合训练，提高学生的独立工作能力与综合素质。二、主要内容与基本要求： 1、按规定要求完成文献阅读、翻译和文献综述；2、完成开题报告和毕业设计阶段的其他前期工作；3、了解薄板切割机的工作原理与过程，分析其设计要求；4、完成薄板切割机设计方案的分析与选择；5、依据选定的方案，完成薄板切割机的具体设计；6、按规定的工作量和质量要求完成图纸和毕业设计说明书。上述是我的毕业设计设计要求:我已经上交了几次设计方案,最终确定的设计参数为机器尺寸为2000X1500X1200。该机器采用伺服电机驱动，利用丝杆传动（不用传动履带），利用机械结构压紧切割薄板。切割刀头要具有一定的Z向压力，故要安装一个调压弹簧*（老师特别要求）这是我期望的效果图样板： 但是希望增加一个机械压紧装置如下：这是我现阶段完成的示意图（结构仅供参考）正视图侧视图俯视图 由于我们毕业设计指导老师要求很严格,几次上交都不能满足他的要求,故请求大神帮我做一份完善的毕业设计方案,要求完成一张完善的装配图(1、电机必须画在图纸上，并且需要在图上表达清楚电机安装在何处，与其它部件通过什么联接；2、图表达的问题，如联接关系、配合关系、拆装关系、尺寸标注、剖面等等需要标出； )、三张典型零件图的正式图纸和设计说明书全文（A4、正常页边距、行距2磅，有详细的方案和计算，不少于20页），开题报告。由于指导老师催促，请尽快完成！谢谢！宁XX大学毕业设计(论文)薄板切割装置总体方案与结构设计分 院： 专 业： 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 年 月摘要随着科学技术的发展，薄板切割装置设计的应用也显得越来越频繁，先进切割技术的发展总是不断地从新科技的成果中获得新的起点。目前，薄板切割装置设计技术在电子科技、计算机技术及机器人的制造中都起着重要的作用。无论在什么情况下，薄板切割装置设计才能提高焊接的水平和质量。我们只有将数控切割机技术和焊接跟踪技术有效的结合才能更好的推动新科技的发展，因此数控切割机的设计对于解决这一难题至关重要。关键词： 切割技术，机构设计，薄板切割装置设计AbstractWith the development of science and technology, the application of plasma cutting machine is more and more frequent, the development of advanced cutting technology is constantly from the new achievements of science and technology in the new starting point. At present, plasma cutting machine technology plays an important role in the manufacture of electronic technology, computer technology and robot. In any case, plasma cutting machine can improve the level and quality of welding. We will only CNC cutting machine and welding with tracking technology effectivelZ in order to better promote the development of new technology, so the CNC cutting machine design is very important for solving this problem.KeZwords: cutting technology, mechanism design, plasma cutting machine目 录摘要2Abstract3目 录4第1章 绪论61.1薄板切割装置设计的研究目的及意义61.1.1薄板切割装置设计背景61.1.2薄板切割装置设计简介61.1.3意义61.2研究现状及发展趋势61.3本课题研究的内容及方法71.3.1主要的研究内容71.3.2设计要求81.3.3关键的技术问题8第2章 总体方案机构设计92.1设计概念92.2设计原理92.3方案讨论9第3章 X结构及传动设计113.1 X向滚珠丝杆副的选择123.1.1导程确定123.1.2确定丝杆的等效转速123.1.3估计工作台质量及负重123.1.4确定丝杆的等效负载123.1.5确定丝杆所受的最大动载荷133.1.6精度的选择143.1.7选择滚珠丝杆型号143.2校核143.2.1 临界压缩负荷验证153.2.2临界转速验证163.2.3丝杆拉压振动与扭转振动的固有频率163.3电机的选择173.3.1电机轴的转动惯量173.3.2电机扭矩计算18第4章 Z向结构设计194.1 Z轴滚动导轨副的计算、选择194.2 滚珠丝杠计算、选择214.3 伺服电机惯性负载的计算234.4 导轨的选型及计算25第5章 机架的设计295.1 机架的基本尺寸的确定295.2 架子材料的选择确定295.3 主要支承的强度校核30总结与展望32参考文献33致 谢3433 第1章 绪论1.1薄板切割装置设计的研究目的及意义1.1.1薄板切割装置设计背景在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有自动化生产设备，用来提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。当然，也不排除PCB板的焊接加工过程。我们发现焊接技术已经渗透到各个领域并且被广泛使用。根据资料显示，我国每年钢铁的产量一般在3亿吨左右，其中有一半以上的钢有用到焊接技术加工。我国每年的焊接设备需求量金额超过50亿元。既然焊接机能够这么普遍地应用在各个领域，它肯定具备了很大的市场竞争力。1.1.2薄板切割装置设计简介薄板/薄板切割装置设计采用驱动，即切割头，运行稳定，配置好，工作效率很高，可以用于各种异形碳钢、锰钢、不锈钢等金属材料的大、中、小型钢板下料。还可根据用户的要求配置多把割炬。1.1.3意义1.横梁：采用方管对焊的结构，具有刚性好，精度高，自重轻，惯量小的特点。所有的焊接件均采用振动时效去应力处理，有效的防止了结构变形；2.纵、横向驱动：横向导轨则采用了台湾进口的直线式导轨，纵向导轨是由精密加工的特质钢轨制成的，保证了切割机的运行平稳，精度高，且经久耐用，清洁美观；1.2研究现状及发展趋势激光切割机的切割速度快，精度和切割质量好等特点。在国家指定的长期发展规划时，又是将激光切割列入了关键支撑技术。因其涉及国家安全、国防建设及高新技术的产业化和科技前沿的发展，所以要对激光切割有很高的重视程度，这就将激光切割机的制造和升级带来很大的商机。随着用户对激光切割技术特点的逐步了解和采用的示范性地深入，这就带动了国内企业开发、生产激光切割机。随着现代化的机械加工业的发展，人们对切割的质量、精度要求的不断提高，并对生产效率的提高、生产成本的降低、高智能化地自动切割的功能要求也在不断的提升。数控切割机必须要去适应现代化机械加工发展的要求。1.数控切割机的发展从现在几种通用的数控切割及应用情况来看，薄板切割装置的功能及性能已经比较完善了，但是对切割材料有局限性（只能切割碳钢板），其切割速度也慢，生产效率低，适用范围逐渐在缩小，市场不可能有大的增加。等离子切割机具有切割范围广（可以切割所有的金属材料），切割速度快，工作效率高等特点，未来的发展方向在于等离子的电源技术的提高、数控系统与离子切割配合的问题，比如电源功率的提升就能切割更厚的板材；完善和提高精细等离子技术也能提高切割速度、切面质量和切割精度；通过完善和提高数控系统来实现对等离子切割效率和切割质量的提升。激光切割机的切割速度快，精度和切割质量好等特点。在国家指定的长期发展规划时，又是将激光切割列入了关键支撑技术。因其涉及国家安全、国防建设及高新技术的产业化和科技前沿的发展，所以要对激光切割有很高的重视程度，这就将激光切割机的制造和升级带来很大的商机。随着用户对激光切割技术特点的逐步了解和采用的示范性地深入，这就带动了国内企业开发、生产激光切割机。2.专用数控切割机的发展数控管材切割机适用于各种管材上的切割，如切割圆柱正交、斜交、偏心交等相贯线孔、方孔、椭圆孔，并能在管子的端部切割与之相交的相贯线。这种类型的设备已经广泛运用在金属结构件的生产，电力设备、锅炉业、石油业、化工等部门。它是行业内比较高端的产品之一，此类的设备切割功能可以满足焊接工艺众不同的板材开不同角度的坡口要求。随着造船业地发展，船厂在国内率先引进和使用数控等离子切割机。随着技术的发展，目前国内外的船厂纷纷配备了具有回转坡口功能的等离子切割机，为了满足其高技术、高附加值船的建造要求。1.3本课题研究的内容及方法1.3.1主要的研究内容在查阅了国内外大量的有关薄板切割装置设计设计理论及相关知识的资料和文献基础上，综合考虑焊接薄板切割装置设计结构特点、具体作业任务特点以及焊接薄板切割装置设计的推广应用，分析确定使用三自由度关节型焊接薄板切割装置设计配合生产工序，实现自动化焊接的目的。为了实现上述目标，本文拟进行的研究内容如下:1 根据现场作业的环境要求和数控锡丝点薄板切割装置设计本身的结构特点，确定数控锡丝点薄板切割装置设计整体设计方案。2 确定数控锡丝点薄板切割装置设计的性能参数，对初步模型进行静力学分析，根据实际情况选择电机。3 从所要功能的实现出发，完成数控锡丝点薄板切割装置设计各零部件的结构设计；4 完成主要零部件强度与刚度校核。1.3.2设计要求1 根据所要实现的功能，提出薄板切割装置设计的整体设计方案；2 完成薄板切割装置设计结构的详细设计；3 通过相关设计计算，完成电机选型；4 完成薄板切割装置设计结构的三维造型；绘制薄板切割装置设计结构总装配图、主要零件图。1.3.3关键的技术问题1 方案选择2整体的支撑架设计（龙门结构及悬臂结构的选择）3机构设计 4 强度校核 第2章 总体方案机构设计2.1设计概念整体的支撑架采用龙门结构在工程中我们常用的整体支撑架结构有龙门结构和悬臂梁。所谓的悬臂梁就是梁的一端为不产生轴向、垂直位移和转动的固定支座，另一端为自由端（可以产生平行于轴向和垂直于轴向的力）。而龙门结构通俗地说就是一根横梁连接两个支腿与地面紧固组成的像一个门框一样的结构。因为他是双支撑结构区别于单支撑和悬臂结构，所以结构特别简单。2.2设计原理数控薄板切割装置设计的设计应满足一下几个条件首先就是必须保证工件定位可靠的可靠性， 为了使工件、焊枪与焊接点保持准确的相对位置，必须根据要求的焊接点，去选择合适的定位机构。再者就是要有足够的强度和刚度 除了受到工件、工具的重量，还要受到本身的重量，还受到焊接枪在运动过程中产生的惯性力和振动的影响，没有足够的强度和刚度可能会发生折断或者弯曲变形，所以对于受力较大的进行强度、刚度计算是非常必要的。最后要尽可能做到具有一定的通用性 如果可以，应考虑到产品零件变换的问题。为适应不同形状和尺寸的零件，为满足这些要求，可将制成组合式结构，迅速更换不同的部件及附件来扩大机构的使用范围。X轴采用丝杠加导轨形式：横向电动机联轴器横向滚珠丝杠（导轨）-横滑板Z轴和采用丝杠传动：纵向电动机联轴器纵向滚珠丝杠大托板2.3方案讨论悬臂梁在工程力学受力分析中，比较典型的简化模型。在实际工程分析中，大部分实际工程受力部件都可以简化为悬臂梁。龙门结构制作方便，承受负载大，结构稳定，工程上广泛应用。考虑到上述问题该课题的整体结构采用龙门结构。第四章 火焰切割机传动装置设计薄板切割机的传动装置是将电动机的旋转运动变为工作台的直线运动的整个机械传动链及其附属机构包括丝杠螺母副、导轨等。41螺旋传动螺旋传动主要是用来将旋转运动变为直线运动，或将直线运动转化为旋转运动。在经济型数控机床的进给系统中，螺旋传动主要用来实现精密进给运动，并广泛采用滚珠丝杠副传动。411 滚珠丝杠副的工作原理及特点滚珠丝杠副的外形如图4-1所示图 4-1 滚珠丝杠外形滚珠丝杠副传动是在具有螺旋滚道的丝杠和螺母间放入适当数量的滚珠，这些滚珠作为中间传动件，使螺杆和螺母之间的摩擦由滑动磨擦变为滚动磨擦的一种传动装置，其内部结构如4-2图所示，当螺杆转动螺母移动时，滚珠则沿螺杆螺旋轨道面滚动，在螺杆上滚动数圈后滚珠从滚道的一端滚出并沿反向器返回另一端重新进入轨道，从而构成闭合回路。图 4-2 滚珠丝杠内部结构滚珠丝杠具有如下特点：1) 传动效率高。滚珠丝杠副的传动效率高达92%-98%。对机械小型化，减少启动的震动和滞后时间以及节约能源等方面，都有重要的意义。2) 运动平稳。滚珠丝杠副在工作过程中摩擦阻力小，灵敏度高，故运动平稳，启动无颤动，低速时无爬行现象。3) 传动具有可逆性。4) 可以预紧。通过对螺母施加预紧能消除滚珠丝杠副的间隙，提高轴向接触刚度，但摩擦力矩不增大。5) 定位精度和重定位精度高。6) 同步性好。7) 使用寿命长，使用可靠，润滑简单，维修方便。412 滚珠丝杠副的设计1横向滚珠丝杠的传动计算丝杠载荷：F=mg横向摩擦力：Fx=0.1510009.8=1470N 电机转速（最大）：nmax=1500r/min 丝杠最大转速（快移）：n=150r/min丝杠导程：工作台最大工作速度 Vmax=0.025m/s100060mm/min=10mm 当量转速：nm=n1q1/100+n2q2/100=100r/min 当量负荷：Fm=(F13n1q1)/100nm+(F23n2q2 )/100nm 横向负荷：Fmax=1470N 6初选滚珠丝杠a 要求寿命 Lh=300（日）8（h）0.6（开机率）10（a）=14400h取15000h由手册查得：Kh=3.9由手册查得：Kn=0.64b综合系数：f=ffhfafn/fw =1110.35/1.3=0.408查得：ft =1，fh =1 ，fa =1 （丝杠精度1-3）fh =0.53（可靠性96%）fw =1.3c计算动载荷：cj=KhFm /Knf 横向动负荷：cj=3.91470/(0.640.408)=21955N滚珠丝杠副的型号：经查手册选用FD型内循环浮动返向器螺母垫片预紧滚珠丝杠副，型号为：横向为FD3206-3额定负荷 c =23700Ncj =21955N。预紧力横向为F=0.25c =0.2523700N=6425Fmax/3=1470/3=490N，符合要求。丝杠螺纹部分长度：lu =工作台最大行程+螺母长度+两端余程横向： lu =1000+60+100=1160（mm）支撑距离 支撑距离L应大于Lu, 横向支撑距离：L=1300临界转速 查手册得：nc =9900f22 d2 /Lc2，其中:a丝杠底径：d2 =d0 -1.2Dw 横向丝杠底径：d2=23.9b支撑方式系数查得f2 =4.73（两端固定）c临界转速计算长度Lc =螺母长度/2+工作台最大行程+余程+（支撑长度-螺纹长度）/2 横向：Lc =190/2+1000+100+（1300-1950）/2=1.22m 横向临界转速：ncx =99004.7320.02535/1.222 =3772.4r/min ncxnmax =1500r/min 符合要求压杆稳定校核两端固定支撑，丝杠受压缩，因而不必校核稳定性。预拉伸计算a温升引起的伸长量：设温升为3.5C，按式t =tl，则：横向伸长量：tx =1110-63.51.22=46.97mb丝杠全伸长量：tz= tl横向伸长量：tz(z)= 1110-63.51.3=50.05mc. 预紧力：按拉伸公式Ft=tAE/Lu横向预拉力：Ft=510-6 （/4）0025352 211011/1352=1567N轴承的选择a. 轴承的型号选择Y 方向轴承型号为7602020TVP主要尺寸参数：由表28-37（I）查得：d0=20mm，D=42mm，z=15mm，B=14mm，DW=5.953mm，C=19600N，预紧力F0=2300N b. 预紧力的确定 F0y=2300NY方向轴承的最大轴向载荷为：Fmax(y)=Fty+ Fmax(y)/2=3782+808.5/2=4186N由于F0y Fmax(y)/3=4186/3=1395N 符合要求c. 疲劳寿命计算额定动负荷由轴承动负荷计算公式校核：C=KhF/Kn进给方向是可变的，负荷可能是（Fty+Fm/2）和（Fty-Fm/2）两者机会均等，取平均值。由表2.8-64（I）查得：Kn=0.64，取Ln=1500h，则 Kh=3.11额定动负荷：Cy=3.113782/0.64=18378Ncj =43911N预紧力纵向为F0=0.25c =0.2548200N=12050Fmax/3=2940/3=980N 符合要求。丝杠螺纹部分长度：lu =工作台最大行程+螺母长度+两端余程纵向： lu =2000+100+100=2200（mm）支撑距离 支撑距离L应大于Lu 纵向支撑距离：Lx=2300临界转速 查手册得：nc =9900f22d2 /Lc2 其中a丝杠底径：d2 =d0-1.2Dw 纵向丝杠底径：d2=40-1.25=36mm=0.036mb 支撑方式系数查得f2 =4.73（两端固定）c 临界转速计算长度Lc =螺母长度/2+工作台最大行程+余程+（支撑长度-螺纹长度）/2纵向：Lc =193/2+2000+100+（2300-2263）/2=2.215m 纵向临界转速：ncx =99004.7320.036/2.2152 =1625.2r/min ncx nmax =1500 r/min 符合要求压杆稳定校核两端固定支撑，丝杠受压缩，因而不必校核稳定性。预拉伸计算a温升引起的伸长量：设温升为3.5C，按式t =tl， 则：纵向伸长量：tx =1110-63.52.215=85.3mb.丝杠全伸长量：tz=tl纵向伸长量：tz= 1110-63.52.3=88.6mc. 预紧力：按拉伸公式Ft=tAE/Lu纵向预拉力：Ft=510-6 （/4）00362 211011/1352=3160N轴承的选择a. 轴承的型号选择X方向轴承型号为7602030TVP主要尺寸参数：由表2.8-39（I）查得：d0=30mm，D=62mmb. 预紧力的确定 F0x=4300NX方向轴承的最大轴向载荷为：Fmax(x)=Ftx+ Fmax(x)/2=4721+1250/2=5346N由于F0X Fmax(x)/3=5346/3=1782N 符合要求c. 疲劳寿命计算额定动负荷由轴承动负荷计算公式校核：C=KhF/Kn进给方向是可变的，负荷可能是（Ftx+Fm/2）和（Ftx-Fm/2）两者机会均等，取平均值。由表2.8-64（I）查得：Kn=0.64，取Ln=1500h，则 Kh=3.11额定动负荷：Cx=3.114721/0.64=22941NcJ 。预紧力 Z方向为：F0z=0.25c =0.2511.8KN=2590NFmax/3=73.5/3=24.5N符合要求。丝杠螺纹部分长度：lu =工作台最大行程+螺母长度+两端余程Z方向： luz =200+240+100=380（mm）支撑距离 支撑距离L应大于Lu Z方向支撑距离：Lu =500mm临界转速 按式2.8-18（I）：nc =9900f22 d2 /Lc2 Z方向临界转速：ncz =99004.7320.0164/0.352=29653r/mina. 丝杠底径：d2 =d0 -1.2Dw Z方向丝杠底径：d2z =23.9mmb. 支撑方式系数由表2.8-66（I）查得f2 =4.73（两端固定）c. 临界转速计算长度Lc =螺母长度/2+工作台最大行程+余程+（支撑长度-螺纹长度）/2Z 方向：Lcz =100/2+200+40+（500-380）/2=0.35m ncz nmax 符合要求压杆稳定校核两端固定支撑，丝杠受压缩，因而不必校核稳定性。预拉伸计算a. 温升引起的伸长量：设温升为3.5C，按式2.8-30（I） t =tl 则Z 方向伸长量：tz =1110-63.50.35=13mb. 丝杠全伸长量：tz= tlZ 方向伸长量：tz(z)= 1110-63.50.5=19mc. 预紧力：按拉伸公式Ft=tAE/LuZ 方向预拉力：Ftz=510-6 （/4）0.01642 211011/05=4436N轴承的选择a. 轴承的型号选择Z 方向轴承型号为7603020TVP主要尺寸参数：由表28-37（I）查得：d0=20mm，D=42mm，z=15mm，B=14mm，DW=7144mm，C=24500N，预紧力F0=2900N，平键GB109579 5520b. 预紧力的确定 F0z=2900NZ 方向轴承的最大轴向载荷为：Fmax(z)=Ftz+ Fmax(z)/2=4436+73.5/2=4473N由于F0z Fmax(z)/3=4436/3=1491N 符合要求c. 疲劳寿命计算额定动负荷由轴承动负荷计算公式校核：C=KhF/Kn进给方向是可变的，负荷可能是（Ftz+Fm/2）和（Ftz-Fm/2）两者机会均等，取平均值。由表2.8-64（I）查得：Kn=0.64，取Ln=1500h，则 Kh=3.11额定动负荷：Cy=3.114436/0.64=21556NC 满足寿命要求。定位精度校核a. 丝杠在拉压载荷下的最大弹性位移：由式28-21a（I）得：s max=Fl106/4AEZ 方向smaxz=7350510/4(/4) 001642211011=02mb. 丝杠与螺母间的接触变形c=F/Kc由所给资料（III），FFZD2506-3滚珠丝杠副的接触刚度为：839N/mFD2506-3滚珠丝杠副的接触刚度为：636N/mZ 方向：cz=Fz/Kcz=73.5/636=0.12m c. 轴承的接触变形接触球轴承的轴向刚度可用式2.8-25（I）估算：KB=23.6z2sin5Dw1/3F01/3 其中 =60Z方向：KBz=23.6152sin5600.0071441/329001/3=310.2 N/m所以，轴承的接触变形为：Bz=73.5/310.2=0.24md. 丝杠系统的总位移 =smax+C+BZ 方向位移：Z=smax+C+B=0.2+0.12+0.24=0.56me. 定位精度smax 发生在螺母属于丝杠中部处，c和B与螺母位置无关。所以，以上求得的位移均为：/650mm。查表2.8-14（I）与表2.8-15（I），取丝杠精度等级为一级，任意300mm的行程公差为：6m可满足精度要求。42 导轨导轨设计的基本要求是：导向精度高、刚度大、耐磨、运动灵活和平稳。421 纵向导轨设计导轨的作用是导向和承受载荷，为保证导轨副的导向精度、精度保持性、低速运动平稳性和结构工艺性等要求，该机床的导轨在纵向由于承受工件及工作台的重量，且重量很大故选择了燕尾槽滑动导轨。422 横向导轨设计横梁将影响其上的导轨等工作部件的相对位置及相对运动的准确性，从而影响加工误差。因而，横梁必须满足制造与安装精度高，刚度、强度高，抗振性、热变性能力与耐磨性好及其它要求（结构工艺性、经济性及美观性等）。由于横梁的负载不大，所以横向和垂直方向则选择了经参考合肥力宇数控设备制造有限责任公司生产的专利导轨产品力远NCS1系列数控坐标滑台结合薄板切割机的实际情况经改进设计出专用导轨。初步估计其尺寸设计为外宽度B=100mm，内宽度b=91mm，高度H=50mm内高度h=38mm，则：材料的抗弯截面系数w=（BH-bh）/6=19766(mm)横截面面积约为BH-bh=1542（mm）横梁的惯性矩I为I=（BH-bh）/12=7606648N.mm横梁的校核查资料得，材料的极限强度为441Mpa，安全系数n=25，许用应力=176.4Mpa弹性模量E=90.6Mpa，横梁的许用挠度fmm=2.8mm，通过计算的横梁的最大弯矩M=1762.3N.m，则：最大应力=M/W=1762.3/0.000019766=89.16Mpa最大应力小于许用应力，所设计的横梁满足抗弯曲应力。此道轨的工作原理，这种导轨通过上导轨的两个相对小轮紧扣下导轨的圆柱体起紧固上导轨的作用同时还有保持其运行稳定性及运行精度，同时两个小轮在圆柱体在滚动将平面运动转换成滚动摩擦作用在丝杠副的作用将电机的转动转化成导轨的运动从而实现横向和垂直的运动。第三章 薄板切割机伺服系统设计31 数控系统控制方式及组成原理该机床伺服系统采用驱动装置为伺服电机的开环伺服系统，下图所示为数控机床中较为简单的开环控制系统，数控装置发出的信号的流程是单向的，因此，不存在稳定性问题。也正是由于信号流程单向，它对机床移动部件的实际位置不检测，其加工精度不高，精度主要取决于伺服系统的性能。在开环控制系统中，输入装置把输入信号给数控装置，经数控装置运算后分配出指令脉冲，通过伺服电机驱动工作台移动。32 伺服电机原理及特点伺服电机是一种能够将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，它实际上是一种单相或多相同步电动机。单相伺服电动机有单路电脉冲驱动，输出功率一般很小，其用途为微小功率驱动。多相伺服电动机有多相方波脉冲驱动，用途很广。使用多相伺服电动机时，单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转换为多相脉冲信号，在经功率放大后分别送入伺服电动机各项绕组。每输入一个脉冲到脉冲分配器，电动机各相的通电状态就发生变化，转子会 转过一定的角度(称为步距角)。正常情况下，伺服电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比，连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于伺服电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制。 现以反应式三相伺服电机为例说明其工作原理。定子铁心上有六个形状相同的大齿，相邻两个大齿之间的夹角为60度。每个大齿上都套有一个线圈，径向相对的两个线圈串联起来成为一项绕组。各个大齿的内表面上又有若干个均匀分布的小齿。转子是一个圆柱形铁心，外表面上圆周方向均匀的布满了小齿。转子小齿的齿距是和定子相同的。设计时应使转子齿数能被二整除。但某一相绕组通电，而转子可自由旋转时，该相两个大齿下的各个小齿将吸引相近的转子小齿，使电动机转动到转子小齿与该相定子小齿对齐的位置，而其它两相的各个大齿下的小齿定和转子的小齿分别错开正负1/3的齿距，形成齿错位，从而形成电磁引力使电动机连续的转动下去。伺服电机有很多类型。按其工作原理，可分为反应式，永磁式永磁感应式、机械谐波式、电磁谐波式等。按励磁相数，有3相、4相，5相、6相甚至8相。按其功率，可分为快速伺服电机和功率伺服电机。在数控机床中，目前广泛采用的是反应式伺服电动机。所以在本次设计中，采用反应式伺服电动机。33 伺服电机的选择331 横向伺服电机的选择根据火焰切割机负载的特点，由于在切割时横向只有横梁、钻头和电机的重量，不承受切削力，仅需要较小的输出转矩。横向伺服电动机的选择：加工精度确定脉冲当量以及步距角由任务书知：脉冲当量=001mm，选取步距角=15的三相伺服电机。伺服电动机转轴上的启动力矩的计算用公式 Tq=36Fs+(G+Fz)/2因此工作台运行过程中不进行切削，故运动方向的切削抗力为：Fs=0，垂直方向的切削抗力为：Fz=0，工作台重量（包括夹具在内）为：G=8280N，摩擦系数 =006（滑动导轨），总机械效率=085，则Tq =360020+006（8280+0）/2075085=8930（Ncm）由表3-14（II）Tp/Tjm=0866伺服电机最大静转矩为：Tjm= Tp/0866=10312（Ncm） 电机的选择与校核fmax=1000Vmax/=10000025/002=1250HZ 根据以上参数查阅资料III可确定选用的伺服电机为：90BF003（新）型号步距角最大静转矩最高空载启动频率相数90BF00315/3(200Nm)2000(step/s)3其保持转矩为：Tmax=784(Nm)。转子惯量：Jm=47(kgcm2) 。 负载惯量：JL =J1+（J2+JS）+W(S/2)/g/i(kgfcms)，则：计算的负载惯量JL =3196（kgc）。负载转矩T1=Jf *n10/96T=02929（NM），故:T1/Tmax=02929/784=003705，JL/Jm=3196/47=0684。满足容量匹配和惯量匹配的条件查电机的运行矩特性，进过计算，电机的最大快进速度V2=25（m/s）Vkmax=2（m/s），满足速度要求。332 纵向伺服电机的选择加工精度确定脉冲当量以及步距角由任务书知：脉冲当量=002mm，选取步距角=15的三相伺服电机。伺服电动机转轴上的启动力矩的计算由于工作台运行过程中不进行切削，根据公式 Tq=36Fs+(G+Fz)/2，故运动方向的切削抗力为：Fs=0垂直方向的切削抗力为：Fz=0工作台重量（包括夹具在内）为：G=10615N，摩擦系数 =006（滑动导轨），总机械效率=085，则:Tq =360020+006（10615+0）/2075085=11454（Ncm）查手册知Tp/Tjm=0866伺服电机最大静转矩为：Tjm= Tp/0866=13226（Ncm）电机的选择与校核根据以上查资料可选择的伺服电机为90BF003。其保持转矩为Tmax=784(Nm)。转子惯量Jm=47（kgcm2）。 负载惯量JL =J1+（J2+JS）+W(S/2)/g/i(kgfcms)其中齿轮Z1及其轴的转动惯量J1=0，齿轮z2的转动惯量J2=0丝杠转动惯量Js=603（kgc），则:负载惯量JL =704（kgc）负载转矩=Jf *n10/96T=11（NM），故:T1/Tmax=11/784=01405JL/Jm=704/47=14984满足容量匹配和惯量匹配的条件。查电机的运行矩特性，进过计算，电机的最大快进速度V2=25（m/s）Vkmax=2（m/s），满足速度要求。333 垂直方向伺服电机的选择加工精度确定脉冲当量以及步距角由任务书知：脉冲当量=001mm，选取步距角=15的三相六拍伺服电机。伺服电动机转轴上的启动力矩的计算Tq=36Fs+(G+Fz)/2因此工作台运行过程中不进行切削，故运动方向的切削抗力为：Fs=0，垂直方向的切削抗力为：Fz=0，工作台重量（包括夹具在内）为：G=5880N，摩擦系数 =015，总机械效率=085，则Tq =360010+015（500+0）/206085=843（Ncm）Tp/Tjm=0866伺服电机最大静转矩为：Tjm= Tp/0866=973（Ncm） 电机的选择与校核fmax=1000Vmax/=10000025/001=2500HZ根据以上参数查阅资料可确定选用的伺服电机为：55BF003。第5章 机架设计和调压弹簧压紧机构设计5.1 机架的基本尺寸的确定机架是支撑及其所有附件的可移动机构。要保证方便、安全；重量要轻，便于移动；架子要有足够的空间安装。而且自动变速器每个总成之间要考虑它们之间的协调关系。考虑到这些方面的因素后要确定的一些自动变速器尺寸根据这些数据，大概确定架子的长高。这样架子的地面的结构就确定了。支撑自动变速器的部件是支撑板，支撑板固定在支承轴上，支承轴安装在机架上。5.2 架子材料的选择确定架子的结构确定后，就需要准备材料Q235，买材料时要考虑钢材的性能，同时也要考虑成本，再者还要考虑到其美观。5.3 主要支承的强度校核考虑到一些外在压力，按照重量为600N进行校核。支承轴160，查机械工程材料 P105页表5-2得，Q235钢材的屈服强度 b =375460MPa，取 b=375 MP a解：和轴一样建立如图所示的坐标系。以轴心为x轴，垂直上平面的直线为y轴，一端点为圆点建立如图6.1所示的平面直角坐标系。因为：FRD =1600N ，把RDE从D点移到E后的受力情况如图6.1所示。图6.1得到一个F和一个力矩M=FabLbe=6000.300NM=180 Nm计算轴的集惯性矩Ip和抗弯截面系数Wz，因为材料和轴的是一样的，所以 b=375 MP a , Ip=y2dA =10.16cm4; W= Ip/y max=6773.688410-6m3 所以 max= M max / W=180/（6773.6910-6）P a=0.26MP a也设安全系数：K=5故：K max=50.26MP a=1.5 MP a b=375 MP a因此：也可以做出结论转架在安全系数为5的情况下也是安全的。所以可以进行制作。解：以轴心为x轴，垂直上平面的直线为y轴，一端点为圆点建立如图2.2.1所示的平面直角坐标系。轴的受力分析。轴的轴心受力简图如图2.2.1-b所示。通过受力图可以明显看出轴的最大弯矩是在BE点之间。把F从C点移到B 后的受力情况如图2.2.1- b 所示。得到一个F和一个力矩M=FLbe=6000.3NM=180 Nm因为：Fba+Fde=2F=1200N由于轴的受力完全对称，故Fba=Fde=F=600NB点和F点的弯矩为：MB=WF=FbaLde+M=6000.01+180 Nm=601.8Nm 受力情况如图2.2.1所示. 计算轴的极惯性矩Ip 和抗弯截面系数Wz因为材料和轴的是一样的，所以 b=375 MP a , Ip=y2dA =10.16cm4; W= Ip/y max=6773.688410-6m3 所以 max= M max / W=305/（6773.6910-6）P a=0.45MP a也设安全系数：K=5故：K max=50.45 MP a=2.25 MP a b=375